南京邮电大学操作系统实验四：简单文件系统模拟实验

实验目的和要求

理解操作系统的文件系统组成以及基本原理，利用这些知识在内存中模拟一个FAT格式的文件系统，完成文件的创建和索引功能，实现以下命令接口：

（1）新建文件，格式：mkfile filename filecontent

filename：文件名

filecontent：文件内容(字符)

实现按FAT格式写FAT表和目录表，以及文件内容。

（2）列出文件，格式：dir

列出目录里所有的文件信息和虚拟磁盘信息。

（3）显示文件内容，格式：type filename

filename：文件名

在目录项中查找文件名所在块号，并把文件内容打印在屏幕上。

（4）删除文件：del filename

filename：文件名

将文件删除，回收虚拟磁盘空间。

（5）退出文件系统：quit

实验原理及内容

实验原理：

文件系统指文件存在的物理空间，Linux系统中每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。Linux会将这些分属不同分区的、单独的文件系统按一定的方式形成一个系统的总的目录层次结构。一个操作系统的运行离不开对文件的操作，因此必然要拥有并维护自己的文件系统。

Linux文件系统使用索引节点来记录文件信息，作用像windows的文件分配表。

索引节点是一个结构，它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一一个元素对应。系统给每个索引节点分配了一个号码，也就是该节点在数组中的索引号，称为索引节点号。

Linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中。目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表，目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。

对于一个文件来说有唯一的索引节点号与之对应，对于一个索引节点号，却可以有多个文件名与之对应。因此，在磁盘上的同一个文件可以通过不同的路径去访问它。

本次实验将要采用的用例―FAT。作为一种文件名称，FAT（File Allocation Table，文件分配表）FAT中的每个表项都对应了磁盘中每一块的分配状况，FAT的表项位数决定了最大可表示的磁盘容量。FAT16表示最多支持216个块(或簇)。FAT表项的可能值为：

0x00：表示对应块空闲

0xFF：表示对应块为文件的最后一块

其它值：表示该文件的下一块的块号

文件目录里记录了文件的控制信息，每一个目录项(FCB)都对应一个文件，用户要操作文件时总是先查询目录找出FCB，然后才能读取文件内容。

简单文件系统示范：

（1）虚拟磁盘结构

#define MAX_DISK_SIZE 256

u_char g_disk[MAX_DISK_SIZE]

若定义每一个磁盘块大小为16字节，则系统最多存放16个磁盘块内容。

规定FAT表总占用第0块，使用8位的FAT表项，所以第0块共有16个FAT表项，目录表占用第1至4块，每个目录项(FCB)占16个字节，因此系统最多支持4个文件。由于0-5块被系统占用，FAT的第0~5字节应为0xFF，故系统最大支持量为10块。

（2）系统数据结构

/*************************************************************

FAT结构

使用1个字节（8位）表示一个块号

cluster值：

0x00 : 空闲

0xFF : 文件的最后一块

其它值 : 文件的下一块块号

*************************************************************/

typedef struct _tagfat {

u_char cluster;

} FAT,*PFAT,**PPFAT;

/***********************************************************

文件控制块结构（20字节）

f_name : 文件名，最长10个字符，注意要留一个字符保存’\0’，故文件名最长9个字符

f_size : 文件长度

f_firstblock : 文件的起始块号

********************************************************/

typedef struct _tagfcb {

char f_name[10];

int f_size;

int f_firstblock;

} FCB,*PFCB,**PPFCB;

（3）文件删除原理。删除一个文件时需要做两件事：

①把文件占用的块号对应的FAT项清0x00。例如被删除的文件占用了第7块物理块，那么要将FAT的第7字节置0x00(原本为0xFF)

②把目录表中的相应项中的文件名第一个字节置0xE5

由此看出，使用FAT的文件系统删除文件时并不清除文件占用的物理块内容，这也给反删除文件带来了可能。在目录项中，文件名的第一个字节很关键，如果是0xE5的话则说明该目录项空闲可以存放一个文件信息，否则说明已被占用。

1、给出核心算法的源代码，并加上详细注释；

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//定义返回值
#define SUCCESS     1
#define DELETE_FAIL     0xE0
#define ALLOC_FAIL      0xE1#ifndef _FILESYS
#define _FILESYS//类型定义，下面即将用的一些类型可以直接用约简的形式替换
typedef unsigned short u_short;
typedef unsigned short* pu_short;
typedef unsigned char u_char;
typedef unsigned char* pu_char;
typedef unsigned int u_int;
typedef unsigned int* pu_int;
typedef char* pchar;
typedef int* pint;
typedef short* pshort;//文件控制块结构（20字节）
typedef struct _tagfcb
{char f_name[10];       //文件名int f_size;        //文件长度int f_firstblock; //起始块号
}FCB, *PFCB, **PPFCB;/********************************************************************
FAT结构
使用1个字节（8位）表示一个块号，最多可以表示256块
cluster值：0x00 : 空闲0xFF : 文件的最后一块其它值 : 文件的下一块块号
*********************************************************************/
typedef struct _tagfat
{u_char cluster;
}FAT, *PFAT, **PPFAT;typedef struct tagNode
{int iValue;struct tagNode *pNext;
}NODE, *PNODE;/*************************************************************************
模拟的磁盘空间规定：每一个块占16字节，本系统使用虚拟空间是1024个字节，所以磁盘空间被划分成64块第0块存放FAT表，最多有16个FAT表项，也意味着本系统只能支持最大16个块第1~4块存放目录，每个目录项占用1块（16字节），表示本系统最多支持4个文件第5块开始存放文件内容
**************************************************************************/
#define MAX_DISK_SIZE 1024
#define BLOCKSIZE 16
#define MAX_FAT   16
extern u_char g_disk[MAX_DISK_SIZE];    //模拟的磁盘空间
//获取指定块的首地址
void* getBlockAddr(int blockno);
//虚拟磁盘初始化
void InitDisk();
//创建文件
int CreateFile(pchar f_name, pchar f_content, int f_size);
//列出文件
int ListFile();
//显示文件
int displayFile(pchar filename);
//删除文件
int initList(PNODE* pListHead); //创建一个头节点，iValue = 0
int insert(PNODE pListHead,int iValue); //插入一个值为iValue的节点至链表尾
int deleteList(PNODE pListHead);    //删除一个指定头指针的链表空间
void printList(PNODE pListHead);    //打印整个链表#endifint initList(PNODE* pListHead)
{//创建一个头结点空间，并赋值为0if ((*pListHead = (PNODE)malloc(sizeof(NODE))) == NULL){return ALLOC_FAIL;}(*pListHead)->iValue = 0;(*pListHead)->pNext = NULL;return SUCCESS;
}//在指定的头结点的链表末尾插入一个新的结点
int insert(PNODE pListHead,int iValue)
{PNODE  pNode;PNODE pLastNode = pListHead;if ((pNode = (PNODE)malloc(sizeof(NODE))) == NULL){return ALLOC_FAIL;}pNode->iValue = iValue;pNode->pNext = NULL; while(1){if (pLastNode->pNext == NULL){pLastNode->pNext = pNode;break;}pLastNode = pLastNode->pNext;}return SUCCESS;
}//删除整个链表空间，程序结束必做
int deleteList(PNODE pListHead)
{PNODE pReadyToDelete = pListHead;while(pListHead == NULL){pListHead = pListHead->pNext;free(pReadyToDelete);pReadyToDelete = pListHead;}return SUCCESS;
}void printList(PNODE pListHead)
{PNODE pNode = pListHead;if (pNode->pNext == NULL){printf("This LinkerList has no NODE except Header!\n");return;}printf("HEAD->");pNode = pNode->pNext;while(pNode != NULL){printf("%d->",pNode->iValue);pNode = pNode->pNext;}printf("NULL\n");return;
}u_char  g_disk[MAX_DISK_SIZE];//用内存模拟的磁盘空间
const int   g_freedisksize = MAX_DISK_SIZE;    //虚拟磁盘的空闲空间
const char  g_freeflag = (char)0xE5;/********************************************************************
获取指定块的首地址blockno ：指定模拟磁盘块号所以FAT表的首地址为getBlockAddr(0);目录的首地址为getBlockAddr(1);
*********************************************************************/
void * getBlockAddr(int blockno)
{return (g_disk + blockno * BLOCKSIZE);
}//初始化虚拟磁盘空间
void InitDisk()
{PFCB pFCB = NULL;int i, j;memset(g_disk,0,MAX_DISK_SIZE);for (i = 1 ; i <= 4 ; i++)    //4个目录项置为空闲{pFCB = (PFCB)getBlockAddr(i);pFCB->f_name[0] = g_freeflag;}for (j = 0 ; j <= 4 ; j++)   //FAT表的前5字节置FF，表示已被占用{((PFAT)(g_disk+j))->cluster = (u_char)0xFF;}
}/********************************************************************
创建文件f_name : 文件名指针f_content : 文件的内容指针f_size : 文件长度
返回值：0：正常10：通过查找FAT表，没找到足够的块来创建文件11：目录项全部用完，无法增加新的文件。（通过检查文件名第一个字节是否为E5，是则表示空闲）12：链表创建出错
*********************************************************************/
int CreateFile(pchar f_name, pchar f_content, int f_size)
{PFCB pFCB = NULL; //目录项（FCB）指针PFAT pFAT = (PFAT)getBlockAddr(0); //FAT表的首地址int blockcount = 0;for(int i=1;i <= 4;i++) {pFCB = (PFCB)getBlockAddr(i);if(pFCB->f_name[0] == g_freeflag)  //有空闲的目录项{blockcount = (f_size / BLOCKSIZE) + 1;//查找FAT，是否有足够的空闲块，使用一个链表记录要占用的空闲块号int k = blockcount;PNODE pListHead,pNode;if(initList(&pListHead) != SUCCESS){return 12; //list initialize errno}for (int j=5; j < MAX_FAT ; j++){if(((PFAT)(pFAT + j))->cluster == (u_char)0){insert(pListHead,j);if(--k == 0)break;}}printList(pListHead);if (k > 0)return 10;  //file size error no//下面开始向块中写文件内容，同时更改目录项FCB的内容strcpy(pFCB->f_name,f_name);                  //写文件名pFCB->f_size = f_size;                            //写文件大小pFCB->f_firstblock = pListHead->pNext->iValue; //文件起始块号int remainbyte = f_size; //还剩多少字节没写进块pNode = pListHead->pNext;for (k = 0 ; k < blockcount ; k++){if (remainbyte <= BLOCKSIZE) //不足一个块{memcpy(getBlockAddr(pNode->iValue),f_content + (BLOCKSIZE * k),remainbyte);}else{memcpy(getBlockAddr(pNode->iValue),f_content + (BLOCKSIZE * k),BLOCKSIZE);remainbyte -= BLOCKSIZE;}pNode = pNode->pNext;}//根据文件占用的空闲块号改FAT表pNode = pListHead->pNext;while (1){if (pNode->pNext == NULL){((PFAT)(pFAT + pNode->iValue))->cluster = (u_char)0xFF;break;}((PFAT)(pFAT + pNode->iValue))->cluster = pNode->pNext->iValue;pNode = pNode->pNext;}//回收链表空间deleteList(pListHead);return 0;}}return 11;//directory full error no
}/********************************************************************
列出目录文件无参数
返回值：<0:非正常（现在不会出现这种情况）其它值 ：当前目录的文件个数
*********************************************************************/
int ListFile()
{PFCB pFCB = NULL;int filecount = 0; //文件记数int bytecount = 0; //文件大小累计printf("My file system list:\n");printf("----------------------------------------------\n");printf("filename\t\t\t filesize\n");printf("----------------------------------------------\n");for (int i=1 ; i<=4 ; i++) {pFCB = (PFCB)getBlockAddr(i);if (pFCB->f_name[0] != g_freeflag){//display file infofilecount++;bytecount += pFCB->f_size;printf("%s\t\t\t\t %d Bytes\n",pFCB->f_name,pFCB->f_size);}}if (filecount == 0){printf("no file in this system now!\n");}printf("----------------------------------------------\n");printf("total files : %d \t total bytes : %d Bytes \n\t\t\t remain bytes : %d Bytes\n",filecount,bytecount,g_freedisksize-bytecount);return filecount;
}/********************************************************************
打印指定字节的字符filecontent : 文件内容指针size ：要打印的字符长度
返回值：无
*********************************************************************/
void printc(pchar filecontent,int size)
{for(int i=0 ; i<size ; i++){printf("%c",*filecontent);filecontent++;}
}
/********************************************************************
显示文件内容filename : 文件名
返回值：0：执行成功<0:非正常（现在不会出现这种情况）
*********************************************************************/
int displayFile(pchar filename)
{PFCB pFCB = NULL;PFAT pFAT = (PFAT)getBlockAddr(0);int remainbytes = 0;for (int i=1 ; i<=4 ; i++) {pFCB = (PFCB)getBlockAddr(i);if (!strcmp(pFCB->f_name,filename)){remainbytes = pFCB->f_size;//根据FCB中的起始块号得到文件第一块所在地//打印出第一块的内容printc((pchar)getBlockAddr(pFCB->f_firstblock),BLOCKSIZE);remainbytes -= BLOCKSIZE;//再到FAT中去找该文件后续块的块号，直到FAT中显示FF说明文件结束int firstblock = pFCB->f_firstblock;while ( ((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster != (u_char)0xFF ) {//说明该文件还有后续块，跟据这个指示打印后续块内容printc((pchar)getBlockAddr(((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster),BLOCKSIZE);firstblock = ((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster;remainbytes -= BLOCKSIZE;}//打印最后一块printc((pchar)getBlockAddr(((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster),remainbytes);printf("\n");return 0; //执行成功     }}return -1;//未找到
}
/********************************************************************
删除文件filename : 文件名
返回值：0：执行成功<0:非正常（现在不会出现这种情况）
*********************************************************************/
int deleteFile(pchar filename)
{PFCB pFCB = NULL;PFAT pFAT = (PFAT)getBlockAddr(0);for (int i=1 ; i<=4 ; i++) {pFCB = (PFCB)getBlockAddr(i);if (!strcmp(pFCB->f_name,filename)){//将目录项FCB的文件名第一个字节置为E5即可pFCB->f_name[0] = g_freeflag;//再将FAT中文件占用的块号置00int firstblock = pFCB->f_firstblock;int nextblock = pFCB->f_firstblock;if (((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster == (u_char)0xFF) {//该文件仅占一块，将此项清0((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster = (u_char)0x00;}else   //说明该文件占有了若干块，将这些FAT块指示都清0{while ( ((PFAT)(pFAT+nextblock))->cluster != (u_char)0xFF ) {nextblock = ((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster;((PFAT)(pFAT+firstblock))->cluster = (u_char)0x00;firstblock = nextblock;}//将文件最后一块回收((PFAT)(pFAT+nextblock))->cluster = (u_char)0x00;}printf("file deleted!\n");return 0; //执行成功          }}return -1;//未找到
}int main()
{InitDisk(); //初始化虚拟磁盘空间char filename[10];char filecontent[176];//文件内容不能超过176 Bchar command[10];int filesize = 0;int err_no = 0;printf("--------------------------------Tips--------------------------------\n");printf("                     The commonds of filesystem\n");printf("                       创建文件：mkfile\n");printf("                       文件目录：dir\n");printf("                       显示内容：type\n");printf("                       删除文件：del\n");printf("                       退出系统：quit\n");printf("---------------------------------------------------------------------\n");while(1){printf("filesys>"); //命令提示行scanf("%s",command);if (!strcmp(command,"mkfile")) //创建文件命令，需要用户提供文件名{printf("\ninput file name(<10 chars):");scanf("%s",filename);printf("\nReady to create file. Please input file content end with ENTER:\n");scanf("%s",filecontent);filesize = strlen(filecontent);if((err_no = CreateFile(filename,filecontent,filesize)) == 0){printf("File created ! \n");}else{printf("Create failed! err_no=%d\n",err_no);}}else if (!strcmp(command,"dir")) //列目录命令{printf("The stored files are:\n");ListFile();}else if(!strcmp(command,"type")) //显示文件内容命令{printf("Please enter the file you want to view:\n");scanf("%s",filename);if (displayFile(filename) != 0 )printf("can't find the file you given!\n");}else if(!strcmp(command,"del")) //删除文件命令{printf("Please enter the file you want to delete:\n");scanf("%s",filename);if (deleteFile(filename) != 0 )printf("can't find the file you given!\n");}else if (!strcmp(command,"quit")) //退出本系统命令{break;}else{printf("Unknown command!\n");}                }return 0;
}

2、给出测试数据及运行结果、实验相关结论等。

运行文件模拟系统程序，显示出几大常用选项，即文件的创建、目录显示、内容显示、删除文件和退出系统的操作命令。

1.文件的创建：输入mkfile命令，此时系统将提示里输入文件名和文件内容，然后便创建了一个test文件并向里面输入内容：hello，同时将这个文件写入磁盘。

2.显示目录：输入dir命令，文件系统显示了相应的模拟的磁盘中的目录，可以看到相应的存储在磁盘中的文件信息。

3.显示内容：输入type命令，提示输入想要查看的文件名字，可以看到输入test可以显示出test文件中存储的内容为hello。

4.删除文件：输入del命令，提示想要删除的文件名字，如果输入test文件名，那么就可以删除文件模拟系统中的test文件，可以看到再次输入dir命令查看文件系统中的文件已经没有文件存在了。

整个文件模拟系统的主要功能如上述所述，使用完之后可以通过quit命令退出系统。